王永強，李長元，胡芳芳，張斌，崔博源

（1.華北電力大學(xué)河北省輸變電設(shè)備安全防御重點實驗室，河北保定0710032；2.中國電力科學(xué)研究院，北京100192）

0 引 言

氣體絕緣金屬封閉組合電器（Gas Insulated Substation，GIS）廣泛應(yīng)用于高壓輸變電系統(tǒng)中，保證GIS的安全穩(wěn)定運行是電力系統(tǒng)中極為重要的一個部分［1］。局部放電是GIS中最常見的故障之一，GIS盆式絕緣子的內(nèi)部缺陷以及一系列的早期絕緣劣化都將出現(xiàn)局部放電的征兆，因此GIS局部放電檢測是電力系統(tǒng)設(shè)備故障檢測中非常重要的一部分。目前最常用的方法是特高頻檢測法，而特高頻檢測法檢測GIS局部放電時易受電磁載波通信、高頻信號保護引起的連續(xù)周期性干擾以及其他設(shè)備產(chǎn)生的脈沖型干擾的影響［2-3］。噪聲干擾是影響局部放電信號特征參數(shù)提取與缺陷類型識別的關(guān)鍵因素之一。因此在現(xiàn)場GIS局部放電故障檢測時如何解決GIS局部放電特高頻信號的噪聲干擾問題直接影響著特高頻法檢測GIS局部放電的準確性與可靠性。

在局部放電檢測過程中，噪聲造成的影響不容忽視，此影響不僅造成裝置的檢測精度下降，還造成裝置誤報率上升等一系列問題。近年來，國內(nèi)外研究人員針對傳統(tǒng)的小波變換的閾值降噪方法，提出了一些改進小波閾值的降噪方法，并且對局部放電所測特高頻信號進行降噪的仿真中取得了良好的效果［4-5］。但在GIS局部放電特高頻信號降噪的實際應(yīng)用中，由于特高頻信號具有頻帶寬、中心頻率高等特性，降噪效果變差，出現(xiàn)失真、計算冗余大等問題。文獻［6］提出了一種改進量子粒子群優(yōu)化稀疏分解的局放信號去噪方法，運用該方法對局部放電產(chǎn)生的脈沖電流信號進行降噪得到了良好的降噪效果，并且較好保留了局部放電信號原始特征。利用特高頻法檢測GIS局部放電，在信號采集、放大與檢波過程中都容易受到噪聲干擾，而且特高頻信號具有中心頻率較大、頻帶寬等特性，降噪過程中保持信號的原始特征仍是一個難點。

為了達到很好的噪聲與非噪聲信號的分離效果，又能保持寬頻帶的特高頻信號的特征，提出一種改進EMD的特高頻信號降噪方法。對偶樹復(fù)小波具有良好的平移不變性及完全重構(gòu)性，加上EMD降噪法具有很強的自適應(yīng)特性［7］，能夠很好地分離噪聲與非噪聲信號，有效地針對局部放電特高頻信號進行有效地降噪處理，并保留早期GIS局部放電信號的放電特征。

1 EMD及DT-CWT基礎(chǔ)

1.1 經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解

EMD將繁雜量的數(shù)據(jù)分解成有限數(shù)據(jù)序列的簡單分量之和，分解的分量為固有模態(tài)函數(shù)（Intrinsic Mode Function，IMF）［8］。各個分量的頻率成分與IMF階數(shù)直接相關(guān)，已知給定信號為x（t），EMD分解過程如下：

（1）求解 x（t）極大值與極小值點；

（2）利用插值法進行包絡(luò)函數(shù)求解，令下包絡(luò)為emin（t）、上包絡(luò) emax（t）；

（3）計算均值，均值公式如下：

（4）抽離細節(jié)，分離出來的分量 d（t），分離式如下：

（5）對殘余的 m（t）重復(fù)上述步驟。

EMD降噪法具有很強的自適應(yīng)性：（1）基函數(shù)自動產(chǎn)生；（2）自適應(yīng)的濾波特性；（3）自適應(yīng)的多分辨率。但是單純的使用EMD法進行降噪，將可能失去原始的信號特征［9-10］，因此在采用EMD法進行降噪時，一般結(jié)合其他方法進行降噪來提升降噪效果和保持原始信號的特征，尤其在局部放電檢測中保持早期的放電特征直接關(guān)系著后期的放電分析的準確性。

1.2 對偶樹復(fù)小波

傳統(tǒng)的小波在實際應(yīng)用過程中不僅出現(xiàn)一些頻率混疊或信息丟失等問題，而且連續(xù)小波變換（CWT）計算時數(shù)據(jù)冗余多、計算代價大［7］?；诖耍瑢ε紭鋸?fù)小波改變了傳統(tǒng)小波的解析方法，能夠在保持平移不變性和多方向選擇性的情況下進行信號的精確重構(gòu)。相比于CWT而言，DT-CWT的數(shù)據(jù)冗余是有限的。DTCWT的函數(shù)基是利用小波函數(shù)對ψh（t）和 ψg（t）來滿足 Hilbert變換對要求，ψh（t）和ψg（t）作為實部和虛部，有復(fù)小波系數(shù) ψ（t）＝ψh（t）＋iψg（t）。

圖1 DT-CWT變換的分解示意圖Fig.1 Schematic diagram of DT-CWT transform decomposition

圖1給出了對偶樹復(fù)小波變換的分解示意圖，它包含兩個平行的小波樹，Tree1給出了變換的實部，Tree2給出了虛部。其中 h0（n），h1（n）為 ψh（t）對應(yīng)的低通和高通濾波器，g0（n），g1（n）為 ψg（t）對應(yīng)的低通和高通濾波器。ψh（t）和 ψg（t）來滿足 Hilbert變換對要求，ψh（t）和 ψg（t）作為實部和虛部，復(fù)小波可表示為 ψ（t）＝ψh（t）＋iψg（t）。據(jù)圖 1對偶樹復(fù)小波變換的分解過程的逆過程即是對偶樹小波變換的重構(gòu)過程。

對偶樹小波降噪過程如下：

信號進行n層對偶樹復(fù)小波變換，將第i層小波變換系數(shù)wi＝wire＋iwiim通過對偶樹復(fù)小波變換逆過程重構(gòu)，得到第i層小波分量。信號不同變換尺度下的細節(jié)信號分量可以組成一個矩陣，即：

式中 Wi＝［wi（1），wi（2），…，wi（k）］，i＝1，2，…，n。表示DT-CWT分解所得到的第i層細節(jié)信號分量。細節(jié)信號矩陣Wn中會含有噪聲的成分。于是Wn便可分解為兩部分［7］。

式中W不含噪信號分分量矩陣；Z對噪聲信號量組成的矩陣。

2 改進EMD的降噪方法

本文改進的EMD降噪方法是利用EMD法將含噪信號分解為一系列的IMF分量，并對每個IMF分量進行DT-CWT雙元收縮降噪，利用聯(lián)合分布模型（非高斯雙元概率分布模型）進行每個IMF分量的DT-CWT降噪的小波系數(shù)估計［11］，得到求解后的小波系數(shù)后進行逆DT-CWT變換得到IMF分量的降噪后信號量，最后將降噪后的IMF分量進行信號重構(gòu)，得到降噪后的信號，這樣不僅能夠很好地將含噪信號與噪聲很好的分離，還具有平移不變性、有限冗余和保持原始信號特征等特點。改進的EMD降噪方法的具體步驟如下：

（1）EMD分解層數(shù)與DT-CWT的分解層數(shù)的確定，層數(shù)的不同將影響降噪的精度和降噪計算速度，DT-CWT法分解層數(shù)確定應(yīng)結(jié)合實際的硬件采樣速率、存儲空間以及軟件計算速度；

（2）含噪信號的 EMD分解，含噪信號為 x（t），對信號x（t）進行局部極大值點與極小值點的提取，并利用插值法形成上下包絡(luò)線，求出表征時間尺度的第i個 IMF分量 di（t），計算式為：

（3）IMF分量的DT-CWT小波系數(shù)的計算。計算過程如下：

（4）采用聯(lián)合分布模型對每層降噪后的小波系數(shù)估計［11］。根據(jù)聯(lián)合分布模型，得到降噪后的小波系數(shù)估計為：

其中降噪邊緣方差估計計算公式為：

式中Yi（t）為某一最佳尺度上的小波系數(shù)；median表示一種魯棒中值估計器；為局部邊緣方差，表達式為：

式中m為復(fù)小波變換的局域窗長。

3 GIS局部放電信號降噪試驗

為了很好的驗證本文改進EMD的GIS局部放電特高頻信號降噪方法的可行性以及可靠性，試驗采用了內(nèi)置式平面螺旋天線對局部放電信號進行檢測，并采用所提出的方法對所采集的數(shù)據(jù)信號進行降噪處理。

3.1 GIS局部放電特高頻信號采集

為了準確的采集到實際的GIS局部放電特高頻信號，搭建了GIS局部放電試驗平臺，試驗系統(tǒng)包括：252 kV GIS模型、250 kV無局放電源、局部放電檢測儀、相位采集裝置、內(nèi)置天線、UHF放大器、寬帶示波器及缺陷模型等組成。試驗平臺示意圖如圖2所示。

圖2 GIS試驗平臺示意圖Fig.2 Schematic diagram of GIS experimental platform

為了更精確的檢測到信號，采集信號所需的小型化螺旋天線安裝于GIS手孔內(nèi)，但并未完全伸入GIS腔體內(nèi)部，為保證該安裝方式不會影響GIS腔體內(nèi)部絕緣，在天線前段加上有機絕緣介質(zhì)板，以保證密封和天線與高壓導(dǎo)體隔離。將設(shè)計好的局部放電模型安裝固定于GIS導(dǎo)電桿上，以提供有效的局部放電信號源。天線安裝如圖3（a）所示，局部放電模型安裝圖3（b）所示。

圖3 天線與放電模型安裝示意圖Fig.3 Installation schematic diagram of antenna and discharge model

天線采集到的UHF信號經(jīng)高頻同軸電纜傳送到UHF放大器（放大器參數(shù)：放大倍數(shù)33.3 dB，工作頻率300 MHz～2.5 GHz）。UHF放大器會對傳感器檢測到的信號進行調(diào)理放大，由RG-58U同軸屏蔽傳輸電纜傳輸?shù)绞静ㄆ鲀?nèi)，并對數(shù)據(jù)進行保存，以便后續(xù)數(shù)據(jù)處理及缺陷分析［12-13］。

3.2 特高頻信號去噪

由內(nèi)置小型化天線在搭建的GIS局部放電試驗平臺上采集GIS局部放電信號，由于針-板放電的脈沖比較明顯，試驗使用針-板放電模型，模型針電極采用直徑為4 mm，長度為10.5 mm的鋁絲制成，鋁絲的另一端作磨尖處理，針尖錐角為30°，曲率半徑為0.5 mm。接地電極采用直徑為100 mm，厚度為10 mm的鋁制成，兩電極的間距設(shè)定為10 mm，實測局部放電單脈沖信號如圖4（a）所示，采樣點數(shù)為1 000點。為了更好的驗證算法的有效性與可行性，在圖4（b）所示的局部放電信號中添加了信噪比為1的高斯白噪聲，以增大白噪聲信號。

圖4 局部放電測量信號Fig.4 Partial discharge measurement signal diagram

為了突出本文設(shè)計的改進EMD信號降噪方法降噪效果的優(yōu)越性，試驗分別采用常見的EMD閾值降噪法和本文設(shè)計的改進EMD降噪方法對同一個加入白噪聲的針-板放電模型產(chǎn)生的局部放電特高頻信號進行消噪處理，并進行消噪效果對比分析。在進行本文設(shè)計的改進EMD降噪方法降噪時，本次試驗設(shè)置DT-CWT分解層數(shù)為3，特高頻信號長度N為1 000，噪聲邊緣方差值小于0.01。EMD閾值降噪法處理后的信號如圖5（a）所示，基于改進EMD的GIS局部放電特高頻信號降噪方法處理后的局部放電信號如圖5（b）所示。

為了更直觀的看出這兩種降噪方法的降噪效果，分別計算輸出信噪比（SNR）和均方誤差（MMSE）［9，14］，計算公式如下：

圖5 兩種方法降噪后信號圖Fig.5 Noise signal diagram of two ways

式中f（n）為原始局部放電特高頻信號；S（n）為降噪后的信號；N為信號數(shù)據(jù)長度。

計算處理后輸出信噪比 （SNR）和均方誤差（MMSE）比較如表1所示。

表1 輸出信噪比（SNR）和均方誤差（MMSE）比較Tab.1 Comparison of output SNR and MMSE

從表1可以看出兩種降噪方法的信噪比SNR比與含白噪聲的實測信號大好多，比較試驗中兩種降噪方法的結(jié)果，本文所提出的方法的信噪比要比EMD閾值降噪大，圖5（a）與圖5（b）兩圖比較可知，利用本文設(shè)計的改進EMD信號降噪方法降噪后的信號更加保持了原有的局部放電信號的特征，在脈沖信號的采樣點數(shù)段（圖中采樣點數(shù)的500～600之間）EMD閾值降噪法得到的信號明顯有著特征信號的消除。而本文采用的分階式將DT-CWT與EMD相結(jié)合的降噪法，很好地保持了原始的放電特征。

4 結(jié)束語

所提出的GIS局部放電特高頻信號降噪方法是將對偶樹復(fù)小波對經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解降噪法進行改進并對利用平面螺旋天線采集的特高頻信號進行降噪處理。充分利用了對偶樹復(fù)小波的精確重構(gòu)和平移不變特性以及經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解法的自適應(yīng)性，在保持原始的局部放電特征的條件下分離了非噪聲信號與噪聲信號，試驗結(jié)果數(shù)據(jù)也驗證了該方法的有效性。